现代测绘理论与技术1

《现代测绘理论与技术》课外实践及知识内容
课外实践要求：
查阅新的测绘理论技术、仪器设备、实际应用方面的文献资料。

假期参加相关单位的实践性工作。

知识内容
1、现代地面常规测量设备主要种类、精度系列及适宜的应用环境。

经纬仪，DJ6 度盘格值为1°DJ2 度盘格值为20′DJ1 （T3）度盘格值为4′。

DJ6 度盘格值为1°DJ2 度盘格值为20′DJ1 （T3）度盘格值为4′按精度从高精度到低精度分：DJ07,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等（D,J分别为大地和经纬仪的首字母）经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。

整套仪器由仪器、脚架部两部分组成。

全站仪，全站仪，即全站型电子速测仪（Electronic Total Station）。

是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。

徕卡的TPS1200精度为3MM，TPS2003测角精度为0.5秒，测距精度为1mm；拓普康的RTS632测角精度为2秒，测距精度为1mm。

广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

水准仪：数字水准仪，自动安平水准仪，电子水准仪
激光扫描仪，LSH系列三维激光抄数机是激光抄数机的完美演绎。

主要型号有LSH400、LSH600、LSH800 ZLDS200激光扫描仪在工业生产在线检测产品时，利用这种非接触式而不需停机，甚至设有自动警报及回馈控制等功能。

测量范围从0.25 mm~457 mm之间，精度可达3um 。

可以广泛应用在铁路铁轨、汽车制造、精密机械零件、电子元件的检测工艺中。

激光测距仪，1、手持激光测距仪：测量距离一般在200米内，精度在2mm左右。

这是目前使用范围最广的激光测距仪。

在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。

2、望远镜式激光测距仪：测量距离一般在600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在1米左右。

主要应用范围为野外长距离测量。

激光测距仪广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮激光测距仪
对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。

它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。

由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。

GPS定位系统，(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等，GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。

由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。

GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。

等
2、三维激光扫描仪的基本原理及应用领域，点云数据的压缩原则及方法。

基本原理：三维激光扫描仪是由设备产生激光脉冲，遇到物体反射回设备接受系统，测算出往返脉冲时间间隔△t，根据光在空气中的传播速度C=0.3米/纳秒，从而根据公式D=C△t 计算出物体表面该点至仪器相位中心的距离。

根据仪器内部角度感应器所探测出来的角度值，再与内置数码相机所拍图片一一对应，计算出该点的数据，这是一个高速处理的过程。

整套设备由激光测距仪、角度感应器、处理器、内置数码相机、存储器、LCD显示屏、电源、
控制器和软件等相关部件组成。

使用时只需将设备安装好后开机，设置扫描范围等相应参数即可。

回到内业后将收集到的点云数据读入计算机，找到三个已知点，给这些点云数据确定一个坐标系，点云中每个点即有在此系统中的坐标值。

根据需要进行相应的处理，形成三维的立体图，可以在图上量取任意两点间的尺寸，也可以任意旋转三维图，看其每一个面相关结构的情况。

如果需要平面的二维图，也可很方便得到。

三维激光扫描仪在一些领域中应用：
地形测量—测量碎部点坐标数据，特别是公路和渠道带状地形图测量
地质灾害测量—监测地层活动情况，测算滑坡量
动态变形监测—如大桥随车流的变化量，水利截流测量
古建筑测量—测出古建筑的立体图，以便恢复重建，或作其它参考
考古发掘现场实时测量---恢复古迹
矿区测量—测算矿区面积、开采量、边坡移位情况
水坝监控—监控大坝随雨量的变情况
工程量测算
点云数据精简原则：激光扫描仪在获取数据的精度和速度方面有很大的优势。

但是获取的数据非常密集，存在大量冗余，庞大的数据点云给后续处理及存储、显示与传输等各个方面都带来了不便，因此，有必要在保证一定精度的前提下对海量数据点云进行数据精简处理。

对于一个实用的点云简化算法。

应满足以下原则：①压缩率高，即在保证失真较小的情形下，最大限度地压缩点云数量；②在误差限差范围之内简化误差，即点云的简化结果能满足应用的精度要求；③简化算法简洁，执行效率高。

传统的点云数据精简采用体包围盒来约束点云，然后将大包围盒分解成若干个均匀大小的小包围盒，在每个小包围盒中选取最靠近包围盒中心的点来代替整个包围盒中的点。

这种方法简单、高效．但是由于包围盒的大小是由用户任意规定的，因此无法保证所构建的模型的精度。

Hamann和Chentn在构建不同平面曲线、压缩2D图像和町视化实体方面提出了精简数据点的方法。

GHLiu．YS Wong，YFZhang等在研究了一种基于特征点的点云数据精简方法。

国内学者张丽艳等人研究了用Riemann图建立散乱测点间的邻接关系，在此基础上进行Rie'mann图的最优遍历片计算测点处的最小二乘拟合平面，从而近似计算删除一点引起的误差。

提出了分别基于简化后数据集中点个数、数据集中点的密度阈值及删除一点引起的法向误差的阚值准则的数据精简方法。

吴维勇等研究了基于构造误差驱动的曲面数据精简算法。

罗德安和廖日琼究了基于四叉树的地面激光雷达数据简化，将所有采样点投影到与仪器的视场中心轴垂直的平面，然后对所有采样点进行完全四叉树划分，自下而上进行数据简化。

叶建辉，李德华提出了基于区域分割的顶点合并网格简化算法。

刘春，吴杭彬研究了基于真三维TIN的二维激光扫描数据压缩方法。

3、车载移动制图系统的特点，主要集成设备及成图方法。

移动测量（制图）系统是把各种传感器集成到一个陆地移动平台(如汽车)上，能实时获取地面目标的测绘和属性信息，其实时处理或后处理的数据，可用于高效率地建立、更新GIS数据库。

这种系统在用于城市街道、道路两旁目标数据采集方面，可真正实现GIS信息获取、处理、储存、管理等的自动化。

特点：(1) 独立测成图系统：作为独立的测成图系统，无需借助底图和传统测成图方式即可完成带状图的测制，且在作业流程上形成了摄影测量的闭环自动控制，避免人工方式下的人为误差。

(2) 成果全面准确：数据成果除包括空间坐标（精度达到1:2000制图要求）和属性数据外,还有连续的三维图象，包含着大量社会、经济信息。

(3) 有效融合其他来源数据：移动测量获得的数据可以通过后台处理软件，与航片、卫片以及传统地形图等4D数据进行有效融合，从而生成信息更为全面的地理信息系统。

(4) 高效率：能以120公里/小时的速度完成外业测图工作，通过友好的数据处理软件可方便地对所采集的数据进行编辑处理。

相比传统导航图测成图方式，可将整个测成图效率提高10倍乃至数十倍以上，完全满足道路电子地图的快速测制与更新需要。

(5) 低成本：只需2-3人即可完成测成图工作，大大降低了人工成本和作业成本。

(6) 安全舒适：车载方式下的作业，相比传统的外业工作，显得既安全，又舒适。

车载制图系统一般是由以下几部分组成:
①用于导航定位的差分GPS 接收机。

②确定传感器姿态的惯性导航系统(Inertial Navigation System,简称INS)。

③测图传感器, 如: CCD 相机、激光测距仪和雷达等。

④运载平台为汽车。

传感器按其作用划分为以下几类：
①绝对定位传感器
依赖于环境的外部定位传感器：GPS、无线电导航系统等；
自包含内部定位传感器：INS、陀螺仪、加速计、罗盘、测程计、气压计等。

②相对定位传感器
被动成像传感器：视频和数字摄像机等；
主动成像传感器：激光测距仪、雷达(SAR)等。

③属性采集传感器
被动成像传感器：视频／数字、BW／彩色针式摄像机，多光谱／超光谱扫描仪等；
主动成像传感器：SAR、激光测距仪、激光扫描仪等；
人工记录：录音机、触摸屏记录器等；
其他：温度计、气压计、重力仪等。

车载激光测图系统
传感器的位置设置成与车行驶方向成一定角度，并且向下倾向于竖直方向，使得两个激光传感器的扫描视野范围互相交叉。

使得当向前行驶经过一个物体时，这个物体在不同的时间被扫描了两次。

因此使得阴影和死角信息尽量少的丢失。

同时物体的前面部分，比如桥梁和路牌交通标志的信息被获取。

每秒可以发射200，000个激光，也就是每秒有200，000个数据的测量。

并且能够不漏任何死角的把三维信息采集获取下来，它安装在一个可以移动的平台之上。

它独特的多方向设计可以提供一个完全的360度的全视野扫描，使得在100m的半径范围内的数据信息获取率达到最大化。

4、数字近景摄影测量的优越性及应用领域。

近景摄影测量是摄影测量的一个重要分支。

与普通测量方法相比，它的优越性体现在可以在不接触对象的情况下，快速且实时地测定大量点的坐标，能够在一瞬间记录下物体的形状、大小、几何位置、变形等特征。

由于它有迅速获取数据、在线和实时处理数据、高度自动化、使用广泛等特点，近景摄影测量的发展趋势正逐步朝着快速、准确、从静态到动态，从二维空间向三维空间发展。

数码影像的出现，解决了现场快速获取影像的问题，且降低了近景摄影测量作业对设备及技能的要求，并使摄影测量过程成为全数字流程。

数字近景摄影测量比普通测量方法的优越性，在于能快速乃至实时地测定大量点的坐标，以及可以研究不可到达的对象，此外，在研究一些动态过程时往往也是独一无二的，它能够在一瞬间记录下物体的空间位置和状态，能及时地对动态物体进行定量分析，并能把动态物体的整个发生过程作为档案记录。

在各项工程建设中，数字近景摄影测量广泛应用于许
多场合与领域：在施工过程中应用数字近景摄影测量进行监测；应用数字近景摄影测量进行滑坡检测和地表形变观测；检测、校核大型构件的装配、安装及形变；进行各种模型实验及材料试验以提供设计中所需的参数；对古建筑及文物进行三维测量及重建：在造船工业中对螺旋桨的形变进行测定；在环境保护中，对污水处理过程中产生的气泡大小与数量进行动态监测：在交通事故处理过程中，应用数字近景摄影测量能快速地测定事故发生现场的状况，以及准确分析事故的成因；在工业制造中，数字摄影测量也有广泛的应用。

应用：古建筑物重建中的应用；平面位移场的应用;绘制地形图中的应用;矿区地表塌陷监测;变形监测.
5、机载激光雷达技术及其应用。

机载激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)是一种快速获取高精度地面和地物三维信息的新技术。

它是集激光技术、高动态载体姿态测定技术和高精度动态GPS差分定位技术于一体的探测技术，它比传统摄影测量方法更快速更精确地获取地面和地物信息。

激光雷达的系统组成和工作原理一般而言．机载激光雷达系统主要由激光测距单元、光学机械扫描单元、差分GPS和惯性测量单元(用以测量飞机平台的飞行姿态)、控制单元、数码相机等组成。

激光器发出激光，经整形后，从发射系统发射出去，由目标反射或散射返回的信号经由接收系统被探测器检测出来；同时将光信号转变为电信号，然后由计算机进行处理，并以适当方式存储起来，通过测量光信号在空间的传播时I'甘J来测量光照点至系统的距离。

激光测距一般分为两种方式：一种是脉冲测距，另一种是相位测距。

应用：灾害管理；油气检测；房地产开发与城区规划；电力传输线或管道走向制图；海岸制图；森林；城区模型；限制进入地区及其模型。

6、GPS差分定位技术的原理及应用。

差分GPS（DGPS）定位技术即差分全球定位系统(Differential Global Position System，简称DGPS)，是在GPS的基础上利用差分技术使得用户能够从GPS全球定位技术中获得更高的定位精度。

由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果根据差分GPS基准站发送的信息方式，可将差分GPS定位技术（DGPS）分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。

这三类差分方式的工作原理是相同的。

所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

在已知点上配备一台GPS接收机并和用户一起进行GPS观测，就可以求得每个观测时刻由于上述误差而造成的影响（例如将GPS单点定位所求得的结果与已知站坐标比较，就能求得上述误差对站坐标的影响）。

假如该已知点还能通过数据通信链将求得的误差改正数及时发送给在附近工作的用户，那么这些用户在施加上述改正数后，其定位精度就能大幅度提高，这就是差分GPS的基本工作原理。

利用差分技术，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等引起的误差可以完全消除；由传播延迟导致的误差大部分可以消除，消除程度主要取决于基准接收机和用户接收机的距离。

GPS差分定位技术应用广泛精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中；工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量；勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到；武器导航：精确制导导弹、巡航导弹；车辆导航：车辆调度、监控系统；船舶导航：远洋导航、港口/内河引水；飞机导航：航线导航、进场着陆控制；星际导航：卫星轨道定位个人导航：个人旅游及野外探险等导航中应用
定位：车辆防盗系统；手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统；儿童及特殊人群的防走失系统；精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整差分GPS（DGPS）定位技术在各行各业中的应用
（1）差分GPS技术在地籍和房地产测量中的应用
在城市建设用地勘测定界测量中，利用差分GPS定位技术可以实时测定界桩位置，确定土地使用界限范围、计算用地面积。

而且在土地利用的动态检测中,也可利用差分GPS技术。

(2)差分动态GPS在城乡道路勘测设计方面的应用
差分动态GPS在城乡道路勘测设计方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载GPS航测等方面。

(3)利用差分GPS定位技术进行高精度的海洋定位
利用差分GPS技术可以进行海洋物探定位和海洋石油钻井平台的定位。

(4)差分GPS技术在城市车辆管理系统中的应用
若采用一般的差分GPS定位技术，要求安装在每辆汽车上的GPS流动站都应要接收差分改正数，这样会造成车辆管理系统的过于复杂，成本过高，所以在实际应用中一般多采用集中差分技术。

(5)差分GPS技术在林业领域中的应用
①利用差分或测量GPS建立林区GPS控制网点
②利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测、制图和面积求算。

③利用差分或测量型GPS进行图面区划界线的精确现地落界。

解决现地界线不清和标志位置
不准的普遍存在的问题。

④GPS技术用于森林防火。

(6)差分GPS技术在农业生产中的应用
差分GPS技术在我国的精准农业中将有着广泛的应用前景。

(7)差分GPS技术在炮兵定位上的应用
(8)差分GPS技术在社会公共安全方面的应用
卫星定位技术在社会公共安全方面的主要应用领域有公安、银行、保险、消防、海关缉私等。

7 无人驾驶小飞机摄影测量的特点及与传统航空摄影测量比较所具有的优势和不足，应用中要研究的主要问题。

优势：（1）飞行高度低，可在云下和轻雾天进行拍摄。

在相同的地面分辨率情况下，比国外数码相机高程精度高
（2）轻便灵活，具有快速的反应能力
（3）GPS辅助数码空中三角测量技术的应用大大减少了地面控制点的数量
（4）影像为真正的RGB自然彩色，比融合彩色更加逼真
（5）影像无需冲洗和扫描，成本低，同时体积小、重量轻、耗电少。

其工作效率和经济效益远优于传统航空摄影
不足：无人飞行器遥感系统平台的平稳程度不如有人驾驶飞机，不容易操纵，容易受高空风力的影响，造成飞行航线漂移，飞行的轨迹不像传统的航空摄影沿直线飞行(航线弯曲度≤3％)，而是曲线轨迹，这样使得拍摄的影像航向重叠度和旁向重叠度都不够规则；与传统的航天影像和航空影像相比，无人飞行器遥感影像还存在像幅较小、像片数量多、影像的倾角过大且倾斜方向没有规律等问题。

由于上述的这些问题，增加了无人飞行器遥感影像处理中影像自动匹配的难度，给无人飞行器遥感影像处理的自动化带来了很大的挑战。

并且由于像幅小、数量多也使得影像处理的工作量大大增加，这些问题的存在极大地限制了无人飞行器遥感系统的运用。

作为无人飞行器遥感系统应用过程的一个重要部分，无人飞行器遥感影像处理的好坏无疑是关系到无人飞行器遥感系统应用价值的一个关键指标。

8、遥感的原理及应用领域，遥感影像的监督分类和非监督分类方法综述。

非接触的，远距离的探测技术。

一般指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技
术。

遥感是以航空摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。

开始为航空遥感，自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，这就标志着航天遥感时代的开始。

经过几十年的迅速发展，目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术当前遥感形成了一个从地面到空中，乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。

为了提高对这样庞大数据的处理速度，遥感数字图像技术随之得以迅速发展。

目前，遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域。

在未来的十年中，预计遥感技术将步入一个能快速，及时提供多种对地观测数据的新阶段。

遥感图像的空间分辨率，光谱分辨率和时间分辨率都会有极大的提高。

其应用领域随着空间技术发展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的发展及相互渗透，将会越来越广泛。

遥感在地理学中的应用，进一步推动和促进了地理学的研究和发展，使地理学进入到一个新的发展阶段。

遥感信息应用是遥感的最终目的。

遥感应用则应根据专业目标的需要，选择适宜的遥感信息及其工作方法进行，以取得较好的社会效益和经济效益。

遥感技术系统是个完整的统一体。

它是建筑在空间技术、电子技术、计算机技术以及生物学、地学等现代科学技术的基础上的，是完成遥感过程的有力技术保证。

监督分类（supervised classification）又称训练场地法，是以建立统计识别函数为理论基础，依据典型样本训练方法进行分类的技术。

即根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类，是模式识别的一种方法。

要求训练区域具有典型性和代表性。

判别准则若满足分类精度要求，则此准则成立；反之，需重新建立分类的决策规则，直至满足分类精度要求为止。

常用算法有：判别分析、最大似然分析、特征分析、序贯分析和图形识别等。

非监督分类(Unsupervised Classification ) 是以不同影像地物在特征空间中类别特征的差别为依据的一种无先验（已知）类别标准的图像分类，是以集群为理论基础，通过计算机对图像进行集聚统计分析的方法。

根据待分类样本特征参数的统计特征，建立决策规则来进行分类。

而不需事先知道类别特征。

把各样本的空间分布按其相似性分割或合并成一群集，每一群集代表的地物类别，需经实地调查或与已知类型的地物加以比较才能确定。

是模式识别的一种方法。

一般算法有：回归分析、趋势分析、等混合距离法、集群分析、主成分分析和图形识别等。

9、水下地形测量的原理，软、硬件设备及作业过程。

（1）水下地形测量的原理：1.1 GPS定位技术：GPS即全球定位系统(Global Positioning System)，基本原理是卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，利用测距后方交会原理，计算出接收机的三维坐标、运动速度和时间等信息，从而进行起到定位和导航的作用；1.2 测深仪工作原理：测深仪是一种单波束测深设备，工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。

按照使用声波频率的个数，可分为单频和双频。

单频测深仪仅用于一般的水深测量，双频测深仪可以同时测量淤泥表面深度和积岩深度，从而获得淤泥厚度，故后者还可以用于淤泥土方计算；1.3 GPS RTK 技术在水下地形测量中的原理：所谓水下地形测量，就是利用测量仪器来确定水下地形点的三维坐标的过程。

在“GPS+计算机(含数据处理软件)+数字测深仪”的测量模式中，通过GPS 的RTK功能(Real Time Kinematic，即实时载波相位差分技术，是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法)获得水面点的平面坐标及高程，通过测深仪获得该点处的水深，最终解算出与该点垂直对应的水下地形点的三维坐标。

（2）测量设备及软件：目前，大面积水下测量的主要手段是采用GPS、测深仪和水下测量导航软件相结合，导航软件在水下测量中起着极其重要的作用。